變電站油位表計設備的無人機巡檢系統研究

張海華，陳昊，李中烜，劉懷宇，孫小磊，許馳

(1.國網江蘇省電力有限公司超高壓分公司，江蘇 南京211102；2.國網江蘇省電力有限公司經濟技術研究院，江蘇 南京210008)

0 引言

1 無人機巡檢

隨著近年來無人機(Unmanned Aerial Vehicle，UVA)技術的成熟與成本的下降，無人機已經大規模應用到電網巡檢中。國家電網有限公司技術學院定期開展無人機培訓班對員工培訓取證，目前取證等級分為“視距內駕駛員(駕駛員)”“超視距駕駛員(機長)”“教員”三種，資質等級依次遞增[11]。無人機在輸電線路巡檢中的應用已趨成熟，包括日常巡線與清除異物，極大降低了人工巡線成本。當前無人機在變電站自主巡檢的應用中主要面臨兩個難題[12－13]:一是定位難題，無人機需要在電氣設備之間來回穿梭，既要選取最佳拍照角度，又要兼顧與帶電設備保持足夠的安全距離，飛行位置誤差必須保持在厘米級，飛機導航控制難度非常大；二是抗干擾難題，變電站內電磁環境復雜，電場、磁場干擾大，無人機若未達到不同電壓等級變電站的抗電磁干擾水平，將導致飛機失控撞上運行設備，威脅設備安全運行。

2 變電站無人機巡檢系統建設

2.1 無人機自主起降機場

無人機自主起降機場(以下簡稱機場)是實現無人機全自動作業的地面基礎設施，由起降平臺、充電系統、控制系統、遠程通信系統等組成，如圖1所示。機場整體采用耐高溫、抗嚴寒、防水、防雷、防塵、防銹、防腐蝕等工藝，可實現2 000次/5 000 h無故障運行。

圖1 無人機自主起降機場

無人機自主起降機場主要功能為:1)存儲和安放巡檢無人機，實現無人機的自動釋放與回收；2)實現對無人機電池自動充電；3)實現與無人機的數據上傳及指令下發。

無人機自主起降機場通過遠程一鍵啟動，自動打開無人機艙門；無人機起飛后，遠程指揮中心實時下發控制指令，實時顯示無人機巡檢視頻；無人機完成作業后自動返航，在起降平臺上實現無人機精準起降、充電及傳輸巡檢數據。

無人機自主起降機場的建設實現了無人機的全自動作業，替代人工現場操控，有效提高了變電站無人機巡檢作業效率。

2.2 智能無人機選型

經緯M300 RTK無人機如圖2所示，集成2 000萬像素變焦相機、1 200萬像素廣角相機、30 Hz高幀率熱成像儀、1 200 m遠距離激光測距儀，可實現23倍混合光學變焦，支持55 min超長續航和最遠15 km圖傳距離，無需關機便可快速更換電池，搭配快充充電箱能夠不間斷作業。廣泛應用于應急消防、警務執法、能源巡檢、測繪等專業領域[14]。

圖2 經緯M300 RTK無人機

Mavic 2 Enterprise(御2企業版)無人機如圖3所示，配備2 000萬像素變焦相機，可同時拍攝可見光及紅外照片/視頻；小機身、低成本，具備避障功能；支持31 min續航和最遠8 km圖傳距離。其廣泛應用于應急救援及工業測溫[15]。

產婦的盆底損傷情況不同，每個人初始的肌肉收縮能力、學習能力是有差異的，部分產婦Ⅰ類纖維收縮能力較好，部分產婦Ⅱ類纖維收縮能力較好，有小部分甚至無法識別盆底肌肉收縮。

圖3 Mavic 2 Enterprise無人機

通過對變電站設備進行3D建模，可劃分出高、中、低3類空間層次，并依次進行巡檢任務分工:無人機通常用于變電站內高層設備的巡檢，經緯M300 RTK工業級無人機從高空巡視死角盲區，對設備進行全方位的紅外掃描；Mavic 2 Enterprise無人機巡視各個間隔片區，主要巡視設備外觀、油位、表計；站內中層設備由高清視頻巡檢；低層設備由變電站值班員或地面機器人巡檢。

2.3 遠程地面控制系統

遠程地面控制系統(GCS)是無人機自動起降機場以及無人機的管理平臺，可以實現對自動起降機場和無人機的遠程控制，同時也是數據智能運營平臺。該系統部署在用戶本地或者云端，用戶可隨時遠程登錄，針對不同應用場景制訂巡飛任務，遠程監視無人機和自動起降機場進行自動飛行作業，或切換手動控制模式進行手動飛行作業。

2.4 后端管控平臺

后端管控平臺由無人機調度管控系統、多任務智能巡檢系統等組成。主要功能為:集成化自動巡檢系統運行平臺，可以集中調度多臺無人機與自動起降機場，可獲得無人機實時視頻；綜合協調每臺無人機的自動巡檢工作，在一張地圖上實時監控每一臺無人機位置，并進行無人機飛行路徑空域規劃和無人機起降規劃，可以實現多機場、多無人機、多任務同時作業，實現智能管控。全生命周期智能化監控，具有智能預警、自動防錯檢測、維護保養提醒等功能。

3 網絡拓撲架構

無人機與機場的遙測數據為MQTT協議，機場到第三方平臺的視頻推流為RTMP協議，機場到第三方平臺的圖片傳輸可選擇FTP/HTTP協議?；诖?，無人機與管控平臺有兩種網絡通信方式，如圖4所示。

圖4 變電站無人機通信網絡拓撲架構

3.1 有線網絡

無人機遙測信息、圖傳信息通過遙控器鏈路(2.4 G/5.8 G)與機場通信。機場通過有線網絡連接到電站管控服務器(管控服務器可部署在公有云、私有云、PC機上)，前端機場控制軟件部署在管控服務器，實現對無人機與自動起降機場的云端管控，完成飛行巡檢任務作業，無人機、自動起降機場狀態數據實時監控、視頻實時回傳，通過API接口可將無人機管控平臺接入第三方控制平臺。

有線網絡可選擇敷設光纖或網線。采用光纖連接時，為了確保光纖線路運行的安全、穩定，光纖入地通過管道線路敷設至指揮中心。無人機自動起降機場直接采用一根室外4芯光纜由指揮中心接入至機場箱體內。若指揮中心距離自動起降機場在70 m以內，可以通過網線連接。使用Ⅵ類網線，為了確保網線線路運行的安全、穩定，網線可入地通過管道線路敷設至指揮中心。強電與弱電使用不同管道，兩者管道之間距離大于10 cm以防止信號干擾的影響。

3.2 無線網絡

自動起降機場通過4G/5G網絡連接到變電站管控服務器(管控服務器可部署在公有云、私有云、PC機上)，前端機場控制軟件部署在管控服務器，實現對無人機與自動起降機場的云端管控，完成飛行巡檢任務作業，無人機、自動起降機場狀態數據實時監控、視頻實時回傳，通過API接口可將無人機管控平臺接入第三方控制平臺。當需要接入內網時，機場可選配4G/5G路由器，利用無線通信網絡連接機場，通過VPN/APN方式實現內外網數據交互。

無線網絡連接方案需聯系運營商開通VPN/APN專網，調試過程中發現無線傳輸存在較大延時，且受網絡抖動影響較大。

4 現場應用

某500 kV變電站高清視頻巡檢系統建設完畢，對電流互感器、變壓器、斷路器等含油位或表計設備的巡檢結果見表1。

表1 高清視頻巡檢系統對油位表計的巡檢結果

該變電站在500 kV設備區、主變壓器及35 kV設備區的變電站無人機巡檢系統建設完畢后，航線分設備區依次間隔飛行，與人工巡視通道平行。

針對變電站無人機巡檢的定位難題，現場安裝獨立氣象單元，為巡檢無人機提供精準RTK定位服務；室內設備、表計無人機巡檢，另設置二維碼，通過無人機識讀二維碼實現巡檢工作的精準定位。針對變電站無人機巡檢的抗干擾難題，一方面在無人機進場前，在檢測機構進行產品檢驗，確保無人機在系統功能、系統性能、圖像識別、硬件檢查、環境影響、電氣安全、電磁兼容、通用安全等方面滿足變電站復雜電磁環境的使用要求；另一方面，基于變電站電場強度測量裝置對變電站運檢區域的不同頻率下的電場分布進行了普測，優化巡檢路徑，主動避開潛在的高干擾區域，降低干擾影響。

迎峰度夏期間，站內無人機針對500 kV設備區電流互感器的油位情況進行了自主巡檢，自主巡檢可在20 min內完成，巡檢圖片及視頻傳輸至專網管控服務器。

變電站無人機的可見光巡檢結果如圖5所示，其對觀察窗較大的電流互感器識別效果良好，對觀察窗較小的電流互感器存在部分無法分析的情況，后期可通過圖片訓練改善此類情況。

圖5 變電站無人機可見光巡檢結果

變電站無人機的紅外巡檢結果如圖6所示，電流互感器各部位溫度差異一目了然。下一步將對傳統只顯示最高溫度點的紅外測溫方式進行改進，通過算法優化標記出所有高于閾值的點。

圖6 變電站無人機紅外巡檢結果

與高清視頻巡檢結果相比，無人機在對45個500 kV電流互感器油位點位的巡檢中，可正確識別其中34個，首次巡檢正確率高達75.6%，巡檢時間縮短至20 min。

5 結語

無人機巡檢系統是無人機開展變電站設備巡檢工作的必要條件。以某500 kV變電站無人機巡檢系統建設為案例，介紹變電站無人機巡檢系統的組成及功能，包括自主起降機場的功能、智能無人機選型搭配、遠程地面控制系統、后端管控平臺。最后，基于該變電站無人機巡檢工作的實際開展，介紹無人機對電流互感器等含油位、表計設備的巡檢航線規劃，分析無人機在可見光、紅外條件下針對500 kV電流互感器油位點位開展自主巡檢的結果，并與高清視頻對油位、表計設備的巡檢結果進行了對比。

綜上，變電站無人機巡檢系統的建設實現了無人機對變電站設備的全自主巡檢，并且無人機對電流互感器、變壓器、斷路器等含油位、表計設備的巡檢有著顯著優勢，其首次巡檢正確率高達75.6%，后期還將隨著無人機巡檢的深入應用進一步提高。